Sterk kjernekraft

Referanseløs: Denne artikkelen inneholder en liste over kilder, litteratur eller eksterne lenker, men enkeltopplysninger lar seg ikke verifisere fordi det mangler konkrete kildehenvisninger i form av fotnotebaserte referanser. Du kan hjelpe til med å sjekke opplysningene mot kildemateriale og legge inn referanser. Opplysninger uten kildehenvisning i form av referanser kan bli fjernet.

Sterk kjernekraft kalles også nukleon-til-nukleon-kraften, kjernekraften eller den residuelle fargekraften og virker mellom to eller flere nukleoner i atomkjernen. Den binder protoner og nøytroner slik at de kan danne en stabil kjerne.

I perioder har begrepene den residuelle kjernekraften og den sterke kjernekraften hatt noe forskjellige betydninger. Skillet ble innført på 70-tallet i forbindelse med utviklingen av kvantekromodynamikk (QCD). Før den tid ble kraftpotensialet mellom to nukleoner omtalt som den sterke kjernekraften, men med innføringen av kvarker og gluoner ble den sterke kjernekraften assosiert med fargeegenskapen til kvarkene. Nå bruker man begrepet fargekraft om den fundamentale kraftvirkningen mellom kvarkene, mens sterk kjernekraft (igjen) beskriver kraftvirkningen mellom hadroner som baryoner (f.eks nukleoner) og mesoner.

Siden hadronene skal være «fargenøytrale», er det på noe avstand ikke noen fargekraft (sterk vekselvirkning). Men fargeladningen er ikke symmetrisk fordelt i kvarkene, og dette gir opphav til en residuell fargekraft. som vil kunne koble til residuell fargekraft fra nabonukleonene. Denne faller raskt av, typisk 1/r⁷ på avstander over fermi radius (omtrent radien på et proton), og er derfor praktisk uten kobling til andre enn nabonukleonene.

Balansen mellom sterk kjernekraft mellom nabonukleonene og coulombkraft fra elektromagnetisk frastøtning mellom protonene er bestemmende for atomkjernens oppbygning, stabilitet og bindingsenergi.

Kraften som binder nukleonene sammen har vært sentral innen kjernefysikken siden feltet oppsto i 1932 med James Chadwicks oppdagelse av nøytronet. Tradisjonelt har målet for kjernefysikken vært å forstå egenskapene til atomkjernen ut ifra kreftene mellom nukleonene.

I 1935, gjorde Hideki Yukawa de første forsøkene på å forklare egenskapene til kraften som binder atomkjernen. Ifølge ham skulle massive bosoner (som er en type mesoner) formidle kraften mellom nukleonene. På grunn av framveksten av kvantekromodynamikk blir ikke meson modellen betraktet som fundamental, men den blir fortsatt ansett som det beste utganspunktet for kvantitative nukleon-nukleon potensialer.

Det viste seg å bli en formidabel oppgave å beskrive kjernekraften, selv med enkle fenomenologiske modeller, og det tok et kvart århundre før man kom fram til de første semi-empiriske kvantitative modellene på 1950-tallet. Siden da har det blitt gjort store framskritt både eksperimentelt og teoretisk. De fleste grunnleggende spørsmålene ble utforsket og løst i 1960- og 1970-tallet. I de senere år har kjernefysikerne fokusert på mer raffinerte detaljer slik som ladningsavhengighet, den nøyaktige verdien av koblingskonstanten, forbedret phase shift analysis, høyere presisjon på parametre, spredningsforsøk ved et vidt spekter av energier og forsøk på å utlede den residuelle kjernekraften fra QCD.

• Sterk kjernekraft påvirker kun hadroner som nøytroner og protoner, ikke leptoner (f.eks. elektroner) eller andre partikler. .
• For to nukleoner med en avstand typisk i atomkjernen (1.3 fm) er det en veldig sterk tiltrekkende kraft på 104 newton.
• For mindre avstander er kraften sterkt frastøtende. Dette sammen med punktet ovenfor holder nukleonene på en viss gjennomsnittlig avstand fra hverandre.
• Utenfor 1,3 fm vil kraften avta til null typisk med 1/r⁷.
• For korte distanser er kjernekraften typisk 60 ganger sterkere enn Coulomb kraften. Dermed kan kjernekraften overvinne coloumbfrastøtningen mellom to protoner, og kjerner som Helium-3 er mulige. Coulomb-kraften har lengre rekkevidde fordi den faller av kvadratisk (1/r²), og for avstander større enn 2.5 fm er coulomb kraften langt sterkere enn sterk kjernekraft som da kan neglisjeres.
• Den residuelle kjernekraften er nesten uavhengig av om nukleonene er nøytroner eller protoner. Denne egenskapen kalles ladningsuavhengighet.
• Kraften avhenger av om spinnet til nukleonene er parallelt eller antiparallelt
• Det finnes også en betydelig ikke-sentral kraftbidrag. Denne delen av kjernekraften har slike egenskaper at bane-angulært moment ikke er bevart. For en ren sentralkraft er banespinnet alltid bevart.

Systemer med to nukleoner slik som deuteriumkjernen og spredningsforsøk med nøytron-nøytron eller nøytron-proton er ideelle for å studere den sterke kjernekraften. Slike systemer kan beskrives ved å ta utgangspunkt i et potensial (for eksempel Yukawa-potensialet) og løse den tilhørende Schrödinger-ligningen. Beskrivelsen blir svært komplisert selv for små kjerner, og er derfor ikke utledet fra grunnprinsippene. Formen på potensialet er derfor som regel utledet fenomenologisk (ved observasjon av spredningsforsøk). For reaksjoner som skjer på litt større avstander kan teorier basert på utveksling av mesoner brukes til å konstruere potensialet. Parametrene i potensialet må tilpasses slik at man reproduserer eksperimentelle data, slik som bindingsenergi eller tverrsnitt/faseskift.

De mest brukte nukleon-nukleon potensialene er Paris-potensialet, Argonne AV18-potensialet, CD-Bonn-potensialet og Nijmegen-potensialet.

Det overordnede målet innen kjernefysikk er å beskrive egenskapene til atomkjernen ved hjelp av de grunnleggende kreftene mellom nukleonene. Dette kalles for en mikroskopisk eller ab initio framgansmåte. Det finnes to betydelige utfordringer:

• Beregninger i flerlegemesystemer er kompliserte og betinger kraftige datamaskiner
• I systemer med mer enn to nukleoner vil det være nødvendig å ta i betraktning krefter som påvirker partikler tre og tre (tre-legeme krefter).

Dette er utfordringer som setter sterke begrensninger for hva som er mulig med dagens teknikker. Med moderne superdatamaskiner er det mulig å gjøre skallmodell-beregninger som inkluderer to- og tre-legeme krefter for kjerner med nukleontall opp 10–12.

En måte å beskrive krefter i atomkjernen er å bruke et potensial for hele kjernen, i stedet for eksplisitt å ta høyde for hver enkelt av komponentene i kjernen. Dette kalles gjerne en makroskopisk framgangsmåte. Eksempelvis kan spredning av nøytroner på atomkjerner beskrives som en planbølge som påvirkes av potensialet til kjernen. Når potensialet brukes på denne måten er det ikke uvanlig at det har en reell og en imaginær del. Dette kalles gjerne for en optisk modell fordi det minner om hvordan lys blir spredt av en glasskule.

• Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, The Nucleon-Nucleon Interaction, (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9
• R. Machleidt and I. Slaus, "The nucleon-nucleon interaction", J. Phys. G 27 (2001) R69 (topical review).
• Kenneth S. Krane, "Introductory Nuclear Physics", (1988) Wiley & Sons.
• P. Navrátil and W.E. Ormand, "Ab initio shell model with a genuine three-nucleon force for the p-shell nuclei", Phys. Rev. C 68, 034305 (2003).